Устройства приема и обработки сигналов.-2

181

Данный тип связи имеет широкий спектр частот и может быть реализован в миллиметровом диапазоне длин волн. Промежуточная частота образуется в смесителе за счет разницы передающих частот ведущего и ведомого приема-передатчика, составляет сотни МГц, девиация частоты 30 – 50 МГц. К достоинствам данной системы приема-передачи следует отнести использование генератора с невысокой стабильностью работы. Причем приемники-передатчики отличаются между собой режимом работы «ведущий-ведомый», т.е. наличием цепи АПЧ.

5.3.4Особенности построения радиолокационных устройств приема и обработки сигналов

Радиолокационные приемники. Отличительной особенно-

стью радиолокационного приемника является наличие обшей антенны для передатчика и приемника (при активной локации). Диапазон рабочих частот, используемый в радиотехнических системах, начинается с 40 МГц и выше. Структурная схема радиолокационного приемника в своем составе имеет приемнопреобразовательный блок и тракт промежуточной частоты с детектором. В зависимости от назначения детектор может быть с импульсным или пиковым детектированием. Приемно-преобразо- вательный блок подключен к антенному переключателю (АП) и содержит малошумящий усилитель (МШУ), фильтр подавления зеркального канала и смеситель (СМ 1) (рис. 5.33). Частота гетеродина (Г) стабилизируется цепями автоматической подстройки частоты.

Полоса пропускания радиолокационного радиоприемного устройства выбирается исходя из назначения и определяется эффективной шириной спектра. Эффективная ширина спектра радиоприемного устройства, предназначенного для измерения координат цели, сопровождения цели, определяется временем установления и формой радиоимпульсного сигнала (1. 10). Эффективная ширина спектра радиоприемного устройства обнаружения определяется выражением (1. 11).

182

Рис. 5.33 Структурная схема приемно-преобразовательного блока радиолокационного приемника:

П – передатчик; АП – антенный переключатель; ФЗК – фильтр зеркального канала (для подавления зеркального канала); ДМ – делитель мощности (работает от передатчика); МШУ – малошумящий усилитель; ВЦ – входная цепь; Дел. – делитель мощности гетеродина

5.3.5 Особенности построения панорамных устройств приема и обработки сигналов

Панорамное радиоприемное устройство параллельного час-

тотного анализа. Сущность параллельного частотного анализа заключается в том, что все частотные составляющие в определенной полосе частот, называемой полосой обзора, выявляются одновременно [19 с.16]. Параллельный частотный анализ осуществляется с помощью большого числа резонаторов со смещенными резонансными частотами (рис. 5.34). Все резонаторы одновременно находятся под воздействием исследуемого радиоизлучения. Этот метод используется и для анализаторов спектра.

Точность частотного анализа определяется полосой пропускания каждого фильтра. Для увеличения точности анализа необходимо использовать большое количество фильтров, число которых определяется выражением

N 0 ,

FСТ

где 0 – полоса обзора; FСТ – статическая полоса пропускания каждого фильтра.

183

Рис. 5.34 Структурная схема панорамного радиоприемного устройства параллельного анализа

Сущность работы панорамного радиоприемного устройства с последовательным анализом состоит в том, что частотные составляющие исследуемого радиоизлучения в определенной полосе обзора выявляются последовательно с помощью резонатора с переменной настройкой. Структурная схема радиоприемника последовательного анализа (рис. 5.35) используется в тех случаях, когда невозможно обеспечить перемещение спектра исследуемого радиоизлучения и имеется возможность снизить требования частотной точности устройства. Данная реализация достаточно сложна в практической реализации из-за трудности обеспечения постоянства АЧХ резонатора при изменении частоты настройки.

Рис. 5.35 Структурная схема панорамного радиоприемного устройства последовательного анализа с перестройкой резонатора

В панорамных радиоприемниках, рассчитанных на просмотр относительно нешироких полос обзора, чаще используется метод последовательного частотного анализа с перемещением спектра по шкале частот (рис. 5.36). Для получения смещающегося по шкале частот спектра необходимо использовать частот- но-модулированный гетеродин (ЧМГ), управляемый генератором

185

Комбинированный метод позволяет сократить время анализа или используется, когда последовательный анализ невозможен из-за очень широкой полосы обзора.

Основными качественными показателями панорамных радиоприемных устройств являются: разрешающая способность, точность отсчета частоты, полоса обзора, скорость анализа, динамический диапазон и чувствительность.

Разрешающая способность. Под разрешающей способно-

стью понимается способность радиоприемного устройства разрешить (разделять) две соседние частотные составляющие анализируемого спектра или два соседних по частоте радиоизлучения. Количественно разрешающую способность определяют как минимальный интервал по частоте между двумя радиоизлучениями, при котором панорамный радиоприемник в состоянии их разделить.

Отличительной особенностью панорамных радиоприемных устройств с последовательным анализом является изменение АЧХ, т.е. динамической характеристики резонансной системы. С увеличением скорости перестройки увеличивается полоса пропускания радиоприемного устройства. Минимальная динамическая полоса пропускания

где 0 p – скорость изменения частоты настройки радиопри-

емного устройства;

p – частота сканирования радиоприемного устройства. Оптимальная статическая полоса пропускания резонансной

системы

Выражение (5.17) служит основным критерием расчета разрешающей способности, а выражение (5.18) определяет полосу пропускания радиоприемника.

Точность отсчета частоты S позволяет судить, с какой точностью можно измерить частотный интервал между спектральными составляющими или истинное значение частоты каждой из них. Точность отсчета частоты характеризуется выражением

Чем меньше это отношение, тем выше точность отсчета частоты.

Полоса обзора. Полоса обзора характеризует полосу одновременно просматриваемых частот, в пределах которой ведется частотный анализ. В радиоприемниках параллельного и комбинированного анализа полоса обзора определяется полосой пропускания всех высокочастотных каскадов до смесителя. В радиоприемниках последовательного анализа полоса определяется полосой пропускания узкополосных фильтров. В зависимости от назначения полоса обзора может меняться. Широкополосный режим используют для грубого анализа, узкополосный – для точного.

Скорость анализа характеризует, насколько быстро осуществляется анализ исследуемого процесса в определенной полосе обзора. При параллельном анализе скорость анализа определяется временем установления колебаний в резонаторе, при последовательном – скоростью изменения частоты

При проектировании необходимо исходить из требования максимума скорости анализа, учитывая изменения динамической полосы пропускания.

Динамический диапазон. Динамический диапазон определяется способностью радиоприемника нормально функционировать по определенному критерию при воздействии на его вход сигналов с большим разбросом их уровней. Величина динамического диапазона также определяет разрешающую способность, так как на вход радиоприемного устройства одновременно могут воздействовать несколько сигналов с большой разницей амплитуд отдельных составляющих.

Чувствительность. Чувствительность панорамного радиоприемного устройства определяется по визуальному каналу приема при минимальном значении э.д.с. или мощности в антенне.

187

5.4 Особенности построения цифровых устройств приема и обработки сигналов

5.4.1Общие сведения построения цифровых устройств приема и обработки сигналов

Отличительной особенностью радиоприемных цифровых устройств является способ приема и обработки радиосигналов. Переход от аналогового к цифровому может производиться как по сигналу с выхода усилителя радиоили промежуточной частоты (по радиосигналу), так и по сигналу после аналогового детектора (по видеосигналу). При этом существенное значение имеет вид параметра, подвергаемого аналого-цифровому преобразованию.

При цифровой обработке с выхода усилителя радиоили промежуточной частоты радиосигнал на входе радиоприемного

где uС t и uШ t – сигнальная и шумовая составляющие входно-

го воздействия;

UВХ t и ВХ t – его амплитуда и фаза;С – центральная частота спектра.

При известной частоте С входное воздействие (5.21) описывается с помощью комплексной огибающей

составляющие комплексной огибающей.

Аналогово-цифровое преобразование представляет собой дискретизацию по времени и квантование по уровню, которым может подвергаться входное воздействие uВХ t . Однако при этом спектр входного воздействия должен размещаться в одной из спектральных зон k/2TД, …, (k+1)/2TД, где k =0, 1, 2, …, TД – период дискретизации. В этом случае спектр дискретных отсчетов воздействия uВХ tr при tr rTД , r=0, 1, 2, … в первой спек-

тральной зоне 0…1/2TД полностью соответствует исходному

188

спектру, поэтому по дискретным отсчетам uВХ tr можно без искажений восстановить непрерывное воздействие uВХ t . В противном случае спектр при дискретизации искажается.

Для подавления спектральных составляющих исходного сигнала вне спектральной зоны k/2TД…(k+1)/2TД этот сигнал перед дискретизацией пропускают через аналоговый полосовой фильтр с высоким коэффициентом прямоугольности. Нередко для снижения требуемого быстродействия АЦП входной процесс гетеродинируют в область частот первой спектральной зоны 0…1/2ТД. В этом случае, во избежание искажений спектра по зеркальному каналу, полосовой фильтр с высоким коэффициентом прямоугольности применяют перед гетеродированием. Обработку полученных таким образом отсчетов называют обработкой мгно-

венных значений или обработкой вещественного сигнала.

В другом способе цифровой обработки аналоговоцифровому преобразованию подвергают квадратурные составляющие C t и S t , которые можно получить умножением воздействия uВХ t на два квадратурных гетеродинных колебания с частотой 0 С и последующей фильтрацией нижнечастотных

составляющих результатов перемножения с помощью ФНЧ. В данном случае использования сложных полосовых избирательных систем не требуется. Однако спектр квадратурных составляющих должен целиком располагаться в первой спектральной зоне. Для обеспечения данного условия требуется ФНЧ с высокими избирательными свойствами. Отсчеты квадратурных составляющих могут быть получены путем дискретизации uВХ t в

тельно друг друга на четверть периода колебания с частотой С .

Такой способ обработки называют обработкой комплексного сигнала. Обычно для такой обработки требуется более сложная цифровая часть, но более простая аналоговая, т.к. реализация ФНЧ не представляет сложности.

При обработке видеосигнала наиболее распространенным способом является обработка его мгновенных значений. Однако в

189

некоторых случаях, например в радионавигации и в технике передачи дискретных сообщений, применяют фазовую обработку. Такой способ применим при относительно высоком отношении сигнал-шум на входе АЦП.

При практической реализации обработки сигналов особое внимание обращается на выбор числа уровней квантования в АЦП. При обработке аддитивной смеси сигнала и широкополосного гауссовского шума, особенно если мощность шума на входе АЦП превышает мощность сигнала, широко применяется бинарное квантование. Это резко упрощает цифровую обработку, позволяет отказаться от системы АРУ и заменить АЦП более простым устройством, фиксирующим в моменты дискретизации знак отсчета квантуемого напряжения. Однако при негауссовских помехах (например, гармонических) характеристики цифровой обработки из-за бинарного квантования могут сильно ухудшиться, в этом случае переходят к многоуровневому квантованию. Многоуровневое квантование применяется и тогда, когда мощность сигнала значительно больше мощности шума, причем недопустимо ухудшение отношения сигнал-шум за счет квантования.

В настоящее время широкое распространение получили линии с псевдошумовыми (ПШ) сигналами. В этом случае в радиоприемных устройствах осуществляют аналоговую свертку ПШсигнала, т.е. перемножение входной смеси ПШ-радиосигнала с помехой на опорный ПШ-видеосигнал и узкополосную (по сравнению с шириной спектра ПШ-сигнала) фильтрацию результата перемножения. При свертке помехи с любым распределением нормализуются, что позволяет использовать бинарное квантование свернутого сигнала при любых распределениях исходной помехи.

5.4.2Особенности построения устройств приема и обработки сигналов сотовой системы связи

Отличительной особенностью радиоприемных устройств сотовой системы связи является прием кодированного цифрового потока, несущего сигнал речи, данных и сигналов управления оборудованием. Система передачи и обработки сигналов в сото-

190

вой системе связи использует стандарт GSM. В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется «гауссовской» потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через ФНЧ с характеристикой Гаусса, что дает уменьшение эффективной ширины спектра радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется

GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы В•Т = 0,3,

где В – ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т – длительность одного бита цифрового сообщения. Принципиальная схема модулятора представлена на рис. 5.38.

Рис. 5.38 Модулятор гауссовской частотной манипуляции с минимальным частотным сдвигом

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию.